Dez inovações químicas que mudarão nosso mundo

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Ao longo do ano de 2020 passado, químicos de todo o mundo sugeriram tecnologias e inovações notáveis em seus respectivos campos. Uma equipe de especialistas recrutada pela IUPAC fez a curadoria das propostas e selecionou as mais inovadoras e inovadoras – ideias promissoras com excelentes chances de realização.

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As “Dez principais tecnologias emergentes em química” também estão alinhadas com os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS) das Nações Unidas. As tecnologias selecionadas mudarão nosso mundo para melhor, fazendo um uso mais criterioso de nossos recursos, favorecendo transformações mais eficientes e fornecendo soluções mais sustentáveis em aplicações que vão desde novos materiais e baterias mais eficientes até sensores extremamente precisos e medicina personalizada. Vamos lá ver as dez principais tecnologias emergentes de 2020:

Baterias de íon duplo

A escassez de lítio e cobalto limita os desenvolvimentos futuros além de estar em conflito com o ODS 12 sobre padrões de produção sustentáveis. Assim, dispositivos mais novos, como baterias de íon duplo (DIBs), têm atraído a atenção da comunidade científica. Enquanto nas baterias clássicas de íon-lítio, apenas os cátions se movem ao longo do eletrólito, nos DIBs tanto os ânions quanto os cátions participam do mecanismo de armazenamento de energia. Eles também exibem algumas diferenças fundamentais na configuração da célula – em DIBs, os íons no eletrólito também são ativos, o que influencia diretamente características como capacidade e tensão. 

Os DIBs podem ser uma alternativa interessante para aplicações de armazenamento em grade. Seus eletrodos podem ser fabricados com materiais baratos e abundantes usando caminhos mais verdes.

Embora os primeiros protótipos DIB também dependessem de lítio, agora os químicos encontraram novas soluções que usam sódio, potássio ou alumínio – todos abundantes e amplamente disponíveis em todo o mundo. Descoberto há apenas alguns anos. Os DIBs ainda enfrentam alguns desafios – os pesquisadores precisam entender melhor seu mecanismo para melhorar sua capacidade, reversibilidade e vida útil. No entanto, as inovações industriais estão começando a florescer.

Emissão induzida por agregação

Hoje em dia, os materiais luminescentes são onipresentes: de LEDs a técnicas de bioimagem. Como a maioria dessas substâncias geralmente apresenta uma infinidade de metades aromáticas, as moléculas tendem a se empilhar em altas concentrações, o que eventualmente mata a luminescência. Este efeito é conhecido como extinção causada por agregação. Em contraste, em 2001 os pesquisadores observaram o fenômeno oposto de certos luminogênios que apresentavam emissão muito fraca em soluções diluídas e uma emissão intensa quando as moléculas se acumulavam. No início, o conceito recebia muito pouca atenção, mas agora se tornou um vasto campo de estudo. A emissão induzida por agregação (AIE) transformou a maneira como as pessoas pensam sobre a luminescência.

As formas moleculares são a chave para entender esse efeito. Ao contrário dos luminogênios clássicos, as moléculas ativas para AIE são não planas. Eles são como hélices em miniatura, movendo-se continuamente. No entanto, quando eles se agregam, a rotação para e toda a sua energia é liberada na forma de luz. Desde a descoberta da AIE, os químicos identificaram várias famílias de compostos que exibem esse efeito, incluindo luminogênios clássicos, como compostos poliaromáticos e complexos organometálicos, e produtos mais exóticos, como polímeros, oligossacarídeos e nanopartículas.

AIE abriu novos caminhos no desenvolvimento de materiais luminescentes – ela já encontrou aplicações em dispositivos OLED, sensores e novas ferramentas de bioimagem. O New York Times destacou o potencial da AIE para alcançar o mundo real muito em breve. Na verdade, as startups que comercializam a tecnologia AIE estão florescendo – dois bons exemplos são AIEGEN Biotech, em Hong Kong, e Luminicell, nos Estados Unidos. A última também vende suas nanopartículas fluorescentes para rastreamento de células vivas através do principal fornecedor de produtos químicos Merck.

Microbioma e compostos bioativos

Mais de 10 trilhões de micróbios vivem em nossas entranhas, vias respiratórias e pele. Nosso microbioma pode estar modificando nosso comportamento e pesquisas sugerem que ele também pode desencadear doenças como o câncer, bem como determinar nossa resposta ao tratamento. Todas essas bactérias liberam metabólitos constantemente em resposta a diferentes estímulos em seu ambiente. A química pode desempenhar um papel fundamental na triagem e identificação de todas essas moléculas diferentes, que podem eventualmente ser isoladas e usadas como novos candidatos terapêuticos.

Muito recentemente, uma equipe em Princeton levou esta abordagem para o próximo nível. Usando diferentes ferramentas computacionais, eles analisaram genomas bacterianos e identificaram grupos de genes que codificavam a biossíntese de pequenas moléculas. Então, eles expressaram essas instruções em bactérias geneticamente modificadas e obtiveram uma série de moléculas com forte atividade antibacteriana. Embora este campo – metagenômica funcional – tenha progredido lentamente nas últimas décadas, este novo desenvolvimento foi caracterizado como uma abordagem revolucionária, com potencial de revolucionar a descoberta. A vida microscópica dentro de nós é imensamente diversa. Químicos e bioquímicos podem encontrar uma miríade de novos compostos bioativos codificados nos genomas das bactérias, contribuindo diretamente para o ODS 3. Compreender e desvendar os segredos do nosso microbioma pode revolucionar o futuro da saúde.

Tecnologia de gating líquido

A ideia de usar líquidos como material estrutural para construir portões responsivos parece contra-intuitiva – chega mesmo a beirar a ficção científica. No entanto, esta ideia, originalmente proposta em 2015, já se tornou realidade e poderá em breve trazer muitas novas aplicações. Normalmente, as membranas líquidas funcionam graças às diferenças de concentração e potencial ao longo da fronteira. No entanto, as membranas de passagem de líquido respondem às mudanças de pressão que dependem da capilaridade. Na microescala, o fenômeno permite que certos líquidos abram e fechem seletivamente os poros sob demanda.

As comportas de líquido podem processar seletivamente misturas de fluidos sem entupir. Assim, os pesquisadores preveem que eles podem se tornar extremamente úteis para processos de filtração e separação em grande escala. Entre outras coisas, as comportas de líquido poderiam acelerar o progresso em direção ao ODS 6, que visa garantir o acesso à água potável e saneamento para todos. Além disso, como os portões de líquido não exigem eletricidade, eles garantem uma grande economia de energia.

Além da separação, as comportas de líquido podem encontrar usos em muitos outros campos, como sensores químicos, matrizes microfluídicas, catálise de alta eficiência, impressão de tecidos biológicos, e aplicações lab-on-chip. Apesar da novidade, a tecnologia de gating líquido já foi reconhecida como uma inovação chave pela prospecção TechConnect, nos EUA. Esperançosamente, as comportas de líquidos em breve serão ampliadas e adotadas pelos principais participantes da indústria química.

Química inorgânica de alta pressão

Todos nós temos um desempenho diferente sob pressão. Os produtos químicos não são exceção, e os fenômenos mais excepcionais ocorrem em condições extremas. Por exemplo, pesquisadores espremeram o benzeno em nanofios diamante superfortes e ultrafinos e recentemente forneceram evidências espectroscópicas de terem preparado o hidrogênio metálico. A ciência de alta pressão não é mais um nicho. Os mais novos avanços tecnológicos permitem monitorar de perto as amostras em ambientes de alta pressão, aumentando nossa compreensão dos materiais.

Esses experimentos envolvem pressões de até 500 GPa – o equivalente a cinco milhões de vezes a pressão atmosférica média. Para alcançar essas forças imensas, os cientistas precisam prender suas amostras entre duas pontas de diamante, que é comumente conhecido como uma célula de bigorna de diamante. Outras melhorias, como a combinação de bigornas de diamante com raios X de alta energia, permitem pressões ainda mais altas, atingindo limites em torno de 640 GPa.

Sob ultra alta pressão, as regras de ligação química se remodelam. As leis da estequiometria borram – os pesquisadores isolaram “primos” do sal comum de Na3Cl a NaCl7. Além disso, alguns compostos que são indubitavelmente inertes em condições ambientais tornam-se repentinamente reativos. Espécies tradicionalmente inativas, como dinitrogênio, monóxido de carbono e dióxido de carbono polimerizam sob pressão e temperatura extremas, produzindo produtos que, em alguns casos, sobrevivem à despressurização e podem ser isolados à pressão atmosférica. A alta pressão também aumenta efeitos bem conhecidos, como luminescência e supercondutividade.

A química fica muito complexa nessas condições, mas ao mesmo tempo fica muito interessante. Discernir as transformações que ocorrem sob ultra altas pressões pode levar a novas espécies moleculares e novos materiais com propriedades sem precedentes, como supercondutividade à temperatura ambiente ou superdureza. Além disso, parte do conhecimento adquirido pode ser traduzido em processos de pressão ambiente – os pesquisadores esperam para abrir novas fronteiras na química. *

Macromônomos para melhor reciclagem de plástico

2020 marca o 100º aniversário do prestigiado manifesto de Hermann Staudinger sobre a polimerização.  A química desempenhou um papel fundamental no desenvolvimento de polímeros artificiais – materiais duráveis e versáteis que transformaram nossa civilização. No entanto, essa durabilidade voltou-se contra nós: os blocos de construção do século XX estão agora por todo o lado, acumulando-se nos nossos aterros e poluindo os nossos oceanos. Alguns especialistas preveem que em 2050, a quantidade total de plástico nos oceanos pesará mais do que a quantidade total de peixes.  Agora, os químicos devem encontrar uma solução.

Muitos grupos de pesquisa estão procurando maneiras mais eficientes de reciclar os polímeros que conhecemos, conforme refletido nas Dez principais tecnologias emergentes em química da IUPAC do ano passado. Além disso, outros grupos estão investigando novos tipos de polímeros que podem ser facilmente reciclados. As soluções incluem plásticos que se quebram após a exposição à luz ultravioleta e macromoléculas com “tampas de extremidade” responsivas que desencadeiam a despolimerização sob demanda.

Monômeros e macromonômeros reprojetados são uma estratégia promissora para criar plásticos mais sustentáveis. Os químicos contam com reações de abertura de anel radical, o que lhes permite incorporar heteroátomos e grupos funcionais – como éster – em estruturas que, tradicionalmente, têm uma estrutura totalmente em carbono. Os polímeros resultantes são mais fáceis de hidrolisar e reciclar. Recentemente, vários grupos otimizaram esta tecnologia, entregando uma ampla gama de plásticos biodegradáveis que mantêm as características atraentes dos polímeros convencionais. A partir de uma lactona amplamente disponível, os pesquisadores desenvolveram um polímero forte e estável que pode ser reciclado repetidamente em condições moderadas.

Esses métodos estão longe de ser amplamente adotados. No entanto, os químicos estão se movendo na direção certa – repensando os polímeros e projetando estruturas que garantam a reciclabilidade. Sem dúvida, a química é nossa melhor chance de encontrar uma solução para o problema do plástico, contribuindo para pelo menos cinco ODS diferentes ao mesmo tempo.

Inteligência artificial

A inteligência artificial está transformando nossa sociedade. Seu valor de mercado está crescendo exponencialmente à medida que encontra usos em finanças, justiça, transporte e até na saúde. A química não é exceção. Os pesquisadores treinam algoritmos para acelerar a elucidação da estrutura, aprimorar as análises retrosintéticas, projetar sequências de reação otimizadas, descobrir novos medicamentos e até mesmo operar laboratórios robóticos futurísticos. As possibilidades são infinitas. “No futuro, esqueceremos que os químicos costumavam ser humanos”, acredita o químico e inventor Lee Cronin.

As aplicações da inteligência artificial em química estão apenas começando – os maiores saltos em andamento ainda estão por vir.  Os pesquisadores preveem que essas tecnologias têm um potencial tremendo. Entre outras coisas, eles esperam que as reações químicas se tornem mais reproduzíveis, mais facilmente escalonáveis e, eventualmente, mais verdes e mais eficientes. Graças à combinação de metodologias de alto rendimento e análises automatizadas, os químicos podiam controlar e acelerar a serendipidade – transformando descobertas acidentais em uma busca completa e cuidadosamente planejada. Todas essas estratégias poderiam acelerar descobertas científicas e resolver problemas cada vez mais sofisticados.

Os algoritmos também podem lidar com questões mais amplas. Por exemplo, as máquinas podem analisar sistematicamente a literatura científica e aprender com praticamente todos os dados já publicados. Isso poderia nos ajudar não apenas a reconhecer tendências, mas também a identificar possíveis soluções para desafios maiores relacionados à energia, mudanças climáticas, meio ambiente e saúde. Na verdade, estudos recentes sugerem que a inteligência artificial tem um impacto positivo no sentido de atingir o ODS – permitindo a realização de 134 metas em todas as metas.

A tecnologia atualizará nosso papel como químicos. * Em vez de nos substituir, a inteligência artificial aumentará as descobertas químicas enquanto nos livra de tarefas mundanas e repetitivas. Assim, vamos focar na criatividade, possibilitando saltos limitados apenas pela nossa imaginação.

Nanosensores

Sensores detectam mudanças no ambiente. Em química, o processo de detecção envolve duas etapas – reconhecimento, quando as moléculas do analito encontram seu receptor; e transdução, a ‘tradução’ desse evento em um sinal de saída.  Os nanosensores funcionam de maneira semelhante, apenas usam nanomateriais como o elemento ativo. Os nanosensores químicos são usados em uma miríade de aplicações, de monitoramento de poluição e controle de qualidade de alimentos para segurança e saúde.

O campo de sensores progrediu ao ponto de detectar moléculas individuais. Isso foi apelidado de “a sensibilidade máxima” e é fundamental em aplicações de saúde, onde detectar uma única entidade pode ser uma questão de vida ou morte. A detecção de molécula única fornece benefícios adicionais, como medir facilmente a heterogeneidade em uma amostra ou permitir medições sem calibração. Os especialistas acreditam que essas tecnologias podem estar “mudando o paradigma”.

Os avanços na química e na ciência dos materiais permitiram melhorias significativas. Os pesquisadores exploraram uma enorme variedade de materiais nanoestruturados – metal, óxidos, nanotubos de carbono, grafeno, polímeros – que, graças à sua alta relação superfície / volume, fornecem benefícios significativos para a detecção. Os nanosensores são usados em vários campos da química analítica. Recentemente, os anticorpos têm atraído muita atenção devido à pandemia causada pelo coronavírus SARS-CoV-2.  Felizmente, os químicos usaram as propriedades exclusivas dos nanomateriais para criar nanosensores de anticorpos que são extremamente sensíveis e específicos. Nanopartículas de ouro, por exemplo, permitem a detecção de SARS-CoV-2 em menos de 15 minutos.

Estamos cercados por sensores – eles estão dentro de nossos telefones, pulseiras de ginástica, smartwatches e computadores. Os nanossensores se tornarão cada vez mais populares, ajudando-nos a distinguir alimentos frescos de produtos prestes a expirar * ou aprimorando nossa capacidade de detectar ondas cerebrais até então desconhecidas, desbloqueando potenciais tratamentos para doenças como a epilepsia. Os sensores nos ajudarão a entender melhor o mundo em que vivemos.

Vacinas de RNA

As vacinas preparam nosso sistema imunológico para combater doenças. Por meio de diferentes agentes, as vacinas induzem a produção de anticorpos, moléculas que reconhecem e desencadeiam a destruição de patógenos. Em particular, as vacinas de RNA têm uma abordagem muito inteligente para esse objetivo – o paciente recebe uma sequência de RNA que codifica a produção de antígenos, que eventualmente estimulam uma resposta imunológica e a síntese de anticorpos. Embora as vacinas de RNA ainda não tenham sido aprovadas para uso humano, elas têm mostrado resultados promissores em ensaios clínicos. Seu potencial para fornecer uma solução rápida para prevenir a infecção causada pelo novo coronavírus SARS-CoV-2 foi novamente colocado eles sob os holofotes.

Uma das vantagens das vacinas de RNA é que sua síntese pode ser facilmente ampliada. Para desenvolver vacinas clássicas, os pesquisadores precisam cultivar o agente infeccioso em uma cultura de células, o que requer o uso de reatores de alto volume e um tempo significativo. Por outro lado, as fitas de RNA podem ser sintetizadas usando metodologias que foram otimizadas  – e até automatizadas – por décadas. Além disso, as vacinas de RNA podem ser projetadas muito rapidamente. A equipe de Robin Shattock no Imperial College London desenvolveu uma vacina candidata contra COVID-19 dentro de duas semanas após obter a sequência genômica do vírus. A equipe está confiante de que poderá obter resultados preliminares no próximo ano.  Esta é uma verdadeira vantagem quando comparada às vacinas clássicas, que geralmente precisam de até dez anos de desenvolvimento – e um investimento médio de meio bilhão de dólares – antes de chegar ao mercado.

Além do COVID-19, os cientistas estão explorando o potencial das vacinas de RNA para prevenir outras doenças infecciosas, como Zika, raiva, HIV, gripe e até câncer. Estudos mostram que as vacinas de RNA podem estimular uma resposta imunológica contra as células cancerosas, tornando-as uma alternativa atraente para novos tratamentos de imunoterapia. A Fundação Bill & Melinda Gates investiu um montante inicial de $ 52 milhões para o desenvolvimento desta tecnologia.

Além disso, várias empresas estão investigando vacinas de RNA. Entre eles destacam-se CureVac e BioNTech, ambos na Alemanha, e Moderna, nos EUA. Todos eles ajustaram seus pipelines para investigar vacinas de RNA contra SARS-CoV-2 e estão confiantes de que poderiam aumentar a produção se necessário. As vacinas de RNA avançam rapidamente – na verdade, o candidato da Moderna (mRNA-1273) estava pronto para iniciar os testes clínicos de Fase III em trinta mil voluntários em meados de junho.

Enquanto ainda é jovem, o campo das vacinas de RNA provavelmente crescerá tremendamente nos próximos anos – especialmente considerando como a produção é rápida e adaptável. Além disso, se as vacinas de RNA contra COVID-19 forem bem-sucedidas e forem rapidamente introduzidas no mercado, isso poderia promover ainda mais o avanço da tecnologia.

Diagnóstico rápido para teste

 Os testes de diagnóstico rápido são ensaios químicos adequados para triagem médica rápida. Normalmente envolvem uma série de etapas fáceis de seguir e fornecem resultados em poucos minutos. Além disso, esses testes raramente requerem equipamento adicional, facilitando seu uso em ambientes com poucos recursos. Provavelmente, o exemplo mais conhecido é o teste de gravidez caseiro, do qual mais de trinta e cinco milhões de unidades são vendidas anualmente apenas nos EUA. Também existem testes rápidos para diagnosticar doenças como malária, sida e gripe.

Os testes rápidos funcionam graças às reações químicas. Frequentemente, eles usam anticorpos para detectar a presença de antígenos. Os anticorpos estão ligados a diferentes tipos de sondas que sofrem uma determinada reação química se o teste for positivo – isso geralmente envolve uma mudança de cor, tornando a interpretação dos resultados muito direta.

A atual pandemia de COVID-1978 levou à escassez de equipamentos de laboratório para a realização de testes de PCR mais completos. Assim, cientistas de todo o mundo priorizaram o desenvolvimento de testes rápidos para detectar SARS-CoV-2 e diagnosticar pessoas que sofrem da doença que esse vírus causa, COVID-19. Alguns deles dependem da detecção de fitas de RNA em vez de antígenos e apresentam resultados em menos de meia hora. A empresa farmacêutica Abbott desenvolveu um teste COVID-19 que supostamente usa amplificação isotérmica mediada por loop, que dá resultados em apenas cinco minutos. No entanto, o último requer algum equipamento de laboratório.

No momento, a Organização Mundial da Saúde (OMS) não recomenda o uso de testes de diagnóstico rápido que detectam antígenos para tratamento de pacientes COVID-19.97 Até o momento, apenas três empresas receberam autorização de uso emergencial dos EUA Food and Drugs Administração e a marca CE da Comissão Europeia – Autobio Diagnostics, CTK Biotech e Hangzou Biotech.  Portanto, os químicos precisam correr contra o relógio para desenvolver uma alternativa adequada que possa produzir resultados significativos em tempo hábil.

Química para um futuro sustentável

A química nos fornece um conjunto ilimitado de ferramentas para remodelar nosso mundo em um que é mais seguro e promete um futuro mais sustentável. Desde a concepção de testes mais eficientes ao desenvolvimento de um tratamento bem-sucedido, a química será fundamental para enfrentar a atual pandemia de COVID-19, um dos desafios mais difíceis que nossa sociedade enfrentou nas últimas décadas. Além disso, enquanto achatamos a curva para interromper a propagação do coronavírus e garantir acesso à saúde para os necessitados, devemos lembrar outras ameaças no horizonte, como poluição, mudança climática e economia circular. A inovação nas ciências químicas é essencial para atingir a maior parte dos ODS, as metas ambiciosas estabelecidas pelas Nações Unidas para promover a prosperidade enquanto protege o planeta. Isso se alinha perfeitamente com a missão principal da IUPAC – aplicar e comunicar o conhecimento químico para o maior benefício da humanidade e do mundo. Esta nova edição das “Dez principais tecnologias emergentes em química” mantém o espírito – promovendo o papel fundamental da química para proteger a sociedade e nosso planeta.

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